DE10016831C2 - Bearbeitungseinheit zur zerspanenden Bearbeitung von auf einem Werkstückträger angeordneten metallischen Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bearbeitungseinheit zur zerspanenden Bearbeitung von auf einem Werkstückträ­ ger angeordneten metallischen Werkstücken nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Diese kann ins­ besondere zur Bearbeitung von Werkstücken mit hoher Präzision bezüglich der geforderten geometrischen Bearbeitungskonturen und der Güte der hergestellten Oberflächen, bei großen Stückzahlen eingesetzt werden. Es können beispielsweise Werkstücke gebohrt, gerieben, Gewinde hergestellt, Senkungen in Bohrungen und andere herkömmliche Bearbeitungsformen durchge­ führt werden.

Üblicherweise werden Bearbeitungszentren oder Bear­ beitungseinheiten verwendet, bei denen eine Kraft­ rückkoppelung über ein offenes c-förmiges Gestell auftritt, da neben der Rotation von Werkzeugen auch deren Vorschub realisiert werden muß.

Durch die Kraftrückkopplung über ein solches Gestell treten infolge von Biegung und Torsion an Gestellbau­ teilen geometrische Abweichungen auf, die über die Werkzeuge zu entsprechenden Geometriefehlern an den Werkstücken führen.

Dieser Einfluß wird zusätzlich durch wirkungsgradbedingten Eintrag von Wärmeenergie z. B. an den Lagerun­ gen, Zahneingriffen, an Aktuatoren, u. a. mehr, die ebenfalls in die Gestellbauteile eingeleitet werden, verstärkt.

Aus DE 26 52 517 A1 ist eine Gelenkspindelbohrmaschi­ ne mit einem entlang einer Führung verschiebbaren Bohrkopf bekannt. Dabei steht ein Verteilergetriebe mit einem Antriebsmotor in ständiger Antriebsverbin­ dung. Mehrere Abtriebswellen können über Gelenkwellen Arbeitsspindeln antreiben, wobei diese Verbindungen schnell gelöst werden können.

Die Gelenkwellen, die die Verbindung zwischen den Abtriebswellen und den Arbeitsspindeln herstellen, sind in einer Bohrglocke, die Teil des Bohrkopfes ist, untergebracht. Eine solche Bohrglocke soll eine austauschbare Baueinheit sein und jeder Gelenkspin­ delbohrmaschine sollen mindestens zwei solcher Bau­ einheiten zugeordnet werden.

In DE 923 168 C ist eine Werkzeugmaschine, die bevor­ zugt eine Bohrmaschine sein soll, beschrieben. Eine solche Werkzeugmaschine soll mit einem Drehtisch, der mit zwei oder mehr Stationen zum Aufspannen und für die Bearbeitung der Werkstücke ausgestattet ist, be­ nutzt werden. Der Werkzeugträger und gegebenenfalls der Spindelstock werden mittels Führungssäulen, die in Bezug zur Achse des Drehtisches angeordnet sind, geführt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei Vermeidung von Kraftrückkopplungen über ein Maschinengestell, die Fertigungsgenauigkeit bei der zerspanenden Bear­ beitung von Werkstücken zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Bearbei­ tungseinheit nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfin­ dung ergeben sich mit den in den untergeordneten An­ sprüchen genannten Merkmalen.

Die erfindungsgemäße Bearbeitungseinheit zur zerspa­ nenden Bearbeitung von auf einem Werkstückträger an­ geordneten Werkstücken verfügt über die üblichen Ele­ mente, nämlich einem Antrieb für mindestens eine in einer Spindel eines Vorschubantriebes geführten Ar­ beitsspindel, wobei der Antrieb in unterschiedlicher Form ausgeführt sein kann.

Sowohl der Antrieb für die Arbeitsspindel bzw. auch mehrerer Arbeitsspindeln und auch der Vorschubantrieb für die Arbeitsspindeln sind in einem gemeinsamen Koppelgestell aufgenommen oder unmittelbar daran be­ festigt. Das Koppelgestell übernimmt dabei im Wesent­ lichen Gehäusefunktion. Die so ausgebildete Bearbei­ tungseinheit ist ein separates Teil, das zur Bearbei­ tung von Werkstücken mit Hilfe eines Manipulators auf den Werkstückträger aufgesetzt werden kann. Nach dem Aufsetzen der Bearbeitungseinheit wird während der zerspanenden Bearbeitung die mechanische Verbindung zum Manipulator aufgehoben, so dass keine Kraftrück­ kopplungen auftreten können.

An der Bearbeitungseinheit sind mindestens drei An­ zugs- und Spannelemente vorhanden, die form- und kraftschlüssig auf dem Werkstückträger befestigbar sind. Mit dieser Befestigung kann die Bearbeitungs­ einheit mit sehr hoher Genauigkeit positioniert und während der Bearbeitung auftretende Momente und Kräf­ te wirken sich nicht auf die Fertigungsgenauigkeit aus, da die Befestigung sowohl radial wie auch axial mit hoher Wiederholgenauigkeit erfolgt und eine hohe Stabilität gewährleistet ist. Durch die so erreichte Koppelung des statischen Teiles, des in Vorschubrich­ tung wirkenden Führungssystems der Bearbeitungsein­ heit mit dem Werkstückträger, als Werkstückaufspann­ vorrichtung können Bearbeitungsfehler weitestgehend vermieden werden und es wird sowohl eine geometrisch symmetrische und thermisch symmetrische Anordnung des Hauptantriebes erreicht.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Anzugs- und Spannelemente sind vorteilhaft symmetrisch und/oder mit jeweils gleichen Abständen von der Mittelachse der Bearbeitungseinheit angeordnet und zwischen den Anzugs- und Spannelementen werden jeweils gleiche Winkelabstände eingehalten. Die Anzugs- und Spannele­ mente sind an der in Richtung auf den Werkstückträger weisenden Stirnfläche am Koppelelement angeordnet, so dass die Bearbeitungseinheit auf den Werkstückträger durch eine entsprechende einachsige Bewegung sicher aufgesetzt und im Anschluss mit dem Werkstückträger mechanisch verbunden werden kann.

Am Werkstückträger sind zumindest teilweise komplementär zu den Anzugs- und Spannelementen konturierte Aufsätze angeordnet und entsprechend positioniert, so dass durch die geometrische Gestaltung der Aufsätze und der Anzugs- und Spannelemente beim Aufsetzen der Bearbeitungseinheit eine sehr hohe Positionsgenauig­ keit erreicht werden kann. Hierzu sind die Anzugs- und Spannelemente zumindest bereichsweise und demzu­ folge auch die Aufsätze am Werkzeugträger ebenfalls zumindest bereichsweise konisch ausgebildet.

Vorteilhaft ist es, die Anzugs- und Spannelemente in Hohlschaftkegelform auszubilden, wobei auf standardi­ sierte Maße und/oder Elemente zurückgegriffen werden kann.

Nach dem Aufsetzen der Bearbeitungseinheit und dem Lösen der Verbindung zum Manipulator können die An­ zugs- und Spannelemente in radialer und axialer Rich­ tung vorgespannt werden, so dass Geometriefehler wäh­ rend der zerspanenden Bearbeitung verhindert werden können.

Für die Vorspannung der Anzugs- und Spannelemente können auch bei der Verwendung von Hohlschaftkegel­ formen verschiedene Möglichkeiten zur Anwendung kom­ men. So kann ein herkömmliches System mit einem in axialer Richtung wirkenden Tellerfederpaket, das gra­ vitationskraftbedingt beim Aufsetzen der Bearbei­ tungseinheit auf den Werkstückträger selbstätig vor­ gespannt werden kann, eingesetzt werden. Das Lösen kann dann pneumatisch bzw. hydraulisch durch Einlei­ ten eines komprimierten Fluids in einen zylinderför­ mig ausgebildeten Raum erreicht werden und der Fluid­ druck über einen Kolben gegen das vorgespannte Tel­ lerfederpaket wirken, so dass die radial und axiale Spannung wieder aufgehoben wird. Selbstverständlich kann die entsprechende Gegenkraft auch auf mechani­ schen Wege aufgebracht werden.

Als Manipulator zum Aufsetzen und Abheben der Bear­ beitungseinheit auf den vorab mit mindestens einem Werkstück bestückten Werkstückträger kann mindestens ein vertikales Hubsystem, auf das bei der Beschrei­ bung von Ausführungsbeispielen noch zurückzukommen sein wird, aber auch ein Industrieroboter eingesetzt werden. Insbesondere der letztgenannte Industrierobo­ ter kann vorteilhaft für die Fertigungsflexibilität sein, in dem mehrere unterschiedlich ausgebildete Bearbeitungseinheiten magazinisiert vorgehalten und durch eine entsprechend programmierte Steuerung des Industrieroboters die jeweilige geeignete Bearbei­ tungseinheit für die Bearbeitung unterschiedlicher Werkstücke auf den entsprechend bestückten Werkstück­ träger aufgesetzt werden kann.

Bei großen Serien, die hintereinander bearbeitet wer­ den sollen, genügt ein vertikales Hubsystem, mit dem kürzere Taktzeiten für den Werkstückwechsel erreicht werden können.

Die Taktzeit kann außerdem erhöht werden, indem Werk­ stückträger, die auf einem Rundschalttisch angeordnet sind, verwendet werden.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie­ ben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen, auf einem Werkstückträger aufgesetzten Bearbei­ tungseinheit und

Fig. 2 die Bearbeitungseinheit nach Fig. 1 in mittels eines Hubsystems angehobener Posi­ tion.

Das in der Fig. 1 gezeigte Beispiel einer erfin­ dungsgemäßen Bearbeitungseinheit besteht aus unter­ schiedlichen Elementen, die in einem Koppelgestell 2 angeordnet, geführt und/oder an diesem befestigt sind.

So ist die Antriebswelle eines Antriebsmotors 14 für den Antrieb von Werkzeuge tragenden Arbeitsspindeln 7 in der Mittelachse A der Bearbeitungseinheit 1 ange­ ordnet und entsprechend ausgerichtet. Sie greift in die Antriebswelle 13 eines Sonnenrades, eines Räder­ umlaufgetriebes 10 ein.

Der Antriebsmotor 14 ist über einen Zwischenflansch 15 starr mit dem Koppelgestell 2 verbunden, in dem auch dab Räderumlaufgetriebe 10 befestigt ist.

Mit den hier nicht erkennbaren Planetenrädern können mindestens zwei Antriebswellen 11 für die entspre­ chende Anzahl von Arbeitsspindeln 7 angetrieben wer­ den.

An der in Richtung auf den Werkstückträger 4 weisen­ den Stirnflächen des Koppelgestells 2 sind bei diesem Beispiel drei Anzugs- und Spannelemente 3 vorhanden, mit deren Hilfe eine radial und axial mit hoher Wie­ derholgenauikgeit kraft- und formschlüssige Verbin­ dung mit dem Werkstückträger 4 erreicht werden kann.

Im Inneren des Koppelgestells 2 ist ein Führungssy­ stem 5 für die Vorschubbewegung eines Spindelträgers 6 zur Bearbeitung eines Werkstückes 8, bei diesem Beispiel in Form von drei symmetrisch zueinander an­ geordneten Linearwalzführungen ausgebildet.

Entsprechend der technologischen und geometrischen Anforderungen für die Bearbeitung des Werkstückes 8 sind die Arbeitsspindel 7 im Spindelträger 6 angeord­ net und drehbar gelagert.

Die Antriebswelle 9 des Vorschubantriebes ist geome­ trisch zentrisch, also ebenfalls in der Mittelachse A der Bearbeitungseinheit 1 angeordnet und der Vor­ schubantrieb erfolgt über einen Zahnriemen 17, der von einem gesonderten Vorschubantriebsmotor 18 ange­ trieben wird, wobei die Drehbewegung vorteilhaft über ein Kugelumlaufgetriebe auf die Antriebswelle 9 über­ tragen werden kann. Durch die geometrisch zentrische Anordnung der Antriebswelle 9, auch in Bezug zu den Arbeitsspindeln 7 können vorschubkraftbedingte Kipp­ momente auf den Spindelträger 6 und das Führungssy­ stem 5 vermieden werden.

Auch mit dem geometrisch- und thermisch symmetrischen Getriebe 10, wie dies ein Räderumlaufgetriebe ist, das mit dem Koppelgestell 2 starr verbunden ist, kön­ nen Drehmoment und Drehzahl auf die Arbeitsspindeln 7, deren Antriebswellen zumindest teilweise mit einem Keilwellenprofil ausgestattet sind, auch während der Vorschubbewegung in der gewünschten Form übertragen werden.

Zwischen dem Antriebsmotor 14 und Räderumlaufgetriebe 10 kann eine Kupplung angeordnet sein.

An den hier oberen Enden der Antriebswellen 11 für die Arbeitsspindeln 7 sind an sich bekannte Dreh­ durchführungen 12 für die Übertragung von Kühl­ schmierstoffen und/oder Luft durch das Werkzeug vor­ handen, wobei der Volumenstrom und eine entsprechende Auswahl von Kühlschmierstoff bzw. Luft entsprechend den jeweils technologischen Anforderungen für die jeweilige Bearbeitung beeinflusst bzw. getroffen wer­ den kann.

Entsprechend der Anzahl von Bearbeitungsvorgängen bei einachsigen Rundtaktmaschinen können mehrere solcher Bearbeitungseinheiten 1 jeweils an Hubsystemen 16, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, verwendet werden und bei jedem Arbeitstakt können verschiedene Bearbei­ tungseinheiten 1 nach dem Lösen der Anzugs- und Spannelemente 3, deren Anheben und nach Teilen eines Rundschalttisches 17 wieder auf den Werkstückträgern 4 abgesetzt und form- und kraftschlüssig befestigt werden.

In der Fig. 2 ist eine mittels des hier einen Hubsy­ stems 16 angehobene Bearbeitungseinheit 1 gezeigt. Nach dem Absetzen der Bearbeitungseinheit 1 besteht kein Form- und Kraftschluss zwischen der Bearbei­ tungseinheit 1 und dem Hubsystem 16, wobei hierfür günstigerweise eine keilförmige Aufnahme an der Be­ arbeitungseinheit 1 und eine entsprechende ausgebil­ dete Form am Hubsystem 16 vorhanden sind und dement­ sprechend die mechanische Verbindung zwischen Bear­ beitungseinheit 1 und Hubsystem 16, bei Bewegung des Vertikal bewegbaren Teils des Hubsystems 16 in Rich­ tung auf den Werkstückträger 4 über ein bestimmtes Maß hinaus, bei dem die Bearbeitungseinheit 1 auf dem Werkstückträger 4 aufgesetzt ist, hinaus, einfach ohne zusätzlichen Aufwand die mechanische Trennung erfolgen kann.

Bei einem Rundtaktprozess können die jeweils betei­ ligten Bearbeitungseinheiten 1 auf einem gemeinsamen Träger, der von wenigstens zwei solcher Hubsysteme 16 auf mehrere Werkstückträger 4 abgesenkt oder angeho­ ben werden, wobei die Bearbeitungseinheiten 1 ent­ sprechend angeordnet sind.

Claims (11)

1. Bearbeitungseinheit zur zerspanenden Bearbeitung von auf einem Werkstückträger angeordneten me­ tallischen Werkstücken, mit einem Antrieb für mindestens eine in einer Spindel eines Vorschub­ antriebes geführten Arbeitsspindel, dadurch gekennzeichnet,
dass der Antrieb (7, 10, 14) für die Arbeits­ spindel(n) (7) und der Vorschubantrieb (6, 9, 17, 18) in oder an einem Koppelgestell (2) auf­ genommen oder daran befestigt sind,
die Bearbeitungseinheit (1), als separates Teil auf den Werkstückträger (4) zur Bearbeitung von Werkstücken (8) mit einem Manipulator (16) auf­ setzbar und
mit mindestens drei Anzugs- und Spannelementen (3) form- und kraftschlüssig auf dem Werkstück­ träger (4) befestigbar ist.

2. Bearbeitungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzugs- und Spannelemente (3) symmetrisch und/oder mit je­ weils gleichen Abständen von der Mittelachse (A) der Bearbeitungseinheit (1), und in jeweils gleichen Winkelabständen voneinander am Koppele­ lement (2) angeordnet sind.

3. Bearbeitungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Werkstückträger (4) zumindest teilweise komplementär zu den An­ zugs- und Spannelementen (3) konturierte Aufsät­ ze angeordnet sind.

4. Bearbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzugs- und Spannelemente (3) zumindest bereichsweise konisch ausgebildet sind.

5. Bearbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzugs- und Spannelemente (3) in Hohlschaftkegelform ausgebildet sind.

6. Bearbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzugs- und Spannelemente (3) in radialer und axialer Richtung vorspannbar sind.

7. Bearbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipu­ lator mindestens ein vertikales Hubsystem (16) oder ein Industrieroboter ist.

8. Bearbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb von mehreren Arbeitsspindeln (7) über ein Räder­ umlaufgetriebe (10) erfolgt.

9. Bearbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die An­ triebswelle (9) des Vorschubantriebes geome­ trisch zentrisch in Bezug zu den Arbeitsspindeln (7) angeordnet ist.

10. Bearbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Werkstückträger (4) auf einem Rundschalt­ tisch (17) angeordnet sind.

11. Bearbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der/den Antriebswelle(n) (11) der Arbeitsspindel(n) (7) Drehdurchführungen für Kühlschmierstoff und/oder Luft vorhanden sind.